JP4142011B2 - 磁場生成組立体及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、特に、動作容積内のサンプルについて核磁気共鳴(NMR)実験を行うことができる程度まで磁場が実質的に均質である、動作容積を生成するための磁場生成組立体に関する。こうした組立体は、人体のイメージング及び化学分析などのために用いられる。
上述のタイプの組立体は、人体のイメージング及び他の核共鳴イメージング機能に広く用いられるが、特に人体のイメージングの場合、ヒトを該組立体の孔の中に入れなければならず、そのことにより医者がその人にアクセスすることが困難になり、当該ヒトに望ましくない生理学的影響を有するという欠点を有する。アクセスは、磁極空間が極コイルの半径に等しい、ヘルムホルツの幾何学的形状に基づいたスプリットペアコイル配列を用いる「オープン型MRI」システムにおいて改善される。しかしながら、この配列によって与えられる「レター・ボックス」式アクセスは、多くのインターベンショナルな処置には依然として不適切なものである。
例えば、脳腫瘍の摘出の場合、最初の外科的計画では、大きなFOV及び高品質の内部の動作領域を必要とするが、この段階において頭部へのアクセスは不要である。外科的切除の際、外科医は、多くの場合、リアル・タイムの画像又は準リアル・タイムの画像を見て進行状況を確認することを望み、これらは、患者への高度のアクセスをもたらす外部の動作容積の1つの中で行うことができる。
コイルは、互いとは関係なく、別個の半径で配置することができるが、該コイルをグループで配置し、各々のグループのメンバーを直列に接続することが、数学的微分及び物理的構成の両方の上で便利である。
一般に、異なるグループの平均半径は異なるものにできるが、グループの各々のメンバーは、該グループの他のメンバーと実質的に同じ平均半径を有する。例えば、このことにより、グループの各々のメンバー上にコイルを取り付けることが容易になる。
どんな電流がそのコイルのグループ内を通っても、各々のグループは第1の動作容積内で実質的に均質な磁場を生成し続けるので、このことにより、組立体をより容易に設計することが可能になる。
次に、第2の動作容積、及び該第2の動作容積内で均質性を達成するのに必要とされるグループ内の電流(大きさ及び方向)の組み合わせに注目することができる。
少なくとも1つのグループ内の電流が、他のグループ内の電流に対して逆方向に流れることが必要になるであろう。したがって、1つのグループ内の電流を逆にすることを可能にするスイッチを含むことが好ましい。これは、第2の動作容積内の均質性を破壊することになるが、各々のグループが第1の動作容積内に均質な領域をそれ自身により生成する場合には、1つのグループ内の電流を逆にすることにより、第1の動作容積内の磁場の強度が増大する。
1)各々のグループが、分離して内部の均質な容積を生成できる、3つ又はそれ以上のグループ(サブセット)のコイルからなる装置。これらは、2つのモード、すなわち、
・強い内部の均質な磁場のみ(全てのコイルを付加する、逆に流れるコイルはない)
・弱い内部の均質な磁場に2つの外部の均質な磁場領域を加えたもの、
の間で切り換えることができる。
2)コイルのサブセットが、構造体の内部にも外部にも、何らの均質な磁場領域を生成しない装置。内部動作容積及び2つの外部動作容積を生成することが、全てのコイルに求められる。
この方法は、コイルを併合して磁石構造体を簡単化し、実質的に同じ内部及び外部動作容積を依然として生成しながら、冗長性を除去する第2の設計段階をさらに含む。
ここで、本発明による磁場生成組立体及び方法の幾つかの例が、添付の図面に関連して説明される。
1つの正の磁石C1、C2、C3及び別の正の磁石を形成するコイルA1、A2、A3、並びに負の磁石を形成するコイルB1、B2、B3を有する、こうしたシステムが、図1に示される。
この第1の実施形態が、以下に詳細に定められる。
各々のコイルは、寸法
a1 内部巻線の半径
a2 外部巻線の半径
b1及びb2 両端部の軸方向の位置
J 電流密度
によって特徴付けられる。この例において、単位は、メートル、平方メートルあたりのアンペア、及びテスラである。
寸法
勾配
単位は、テスラ・m-nである。
コイルB2及びC2を組み合わせ、これらを新しいコイルB2´と置き換えることによって、第2の例を得ることができる。同様に、B3及びC3を新しいB3´と置き換えることができる。このことは、関数
を最小限にすることによって達成される。
ここで、プライム符号は、新しいコイルによる勾配を示し、こうした手順の結果は、
寸法
勾配
となる。
高次の相殺は、完全なものではないが、システム内の1つ又はそれ以上の他のコイルに調整を施すことによって、又は局所的シムコイルを用いて訂正することができることが分かる。外部の均質な領域における磁場が、今や異極性からなることも分かる。これは、B0の項が、最小化手順に含まれなかったからである。
縮小された導関数
は、距離r0にわたる磁場エクスカーション、均質な容積の特性の尺度である。
この場合、r0=0.1mであり、単位はテスラである。
z=1.275mにおいて1次及び2次勾配が実質的に相殺され、z=0において均質性が保持されることが分かる。
ここで、こうした組立体の設計方法について説明する。
電流を含まない空間の容積において、磁気スカラー・ポテンシャルは、ラプラス方程式
によって説明することができ、円筒対称性の場合に、磁場
について解き、軸方向の成分
を与え得ることが公知である。
ここで、Pn(μ)は、ルジャンドルの多項式である。
を用いて、軸上のいずれかの点におけるHzの値を書き留めることができる。
ここで、H0は、起点における磁場であり、
である。
θ=0及びp=zを入れた場合、これは、ルジャンドルの多項式を用いる前の方程式と同じでなければならない。
したがって、
であるので、
及び
となる。
となる。磁場強度Hの代わりに、束密度又は磁気誘導Bが用いられることが多い。磁性材料がない場合、B=μ0Hである。
同軸コイルの集合からなる磁石を考える場合、各々のコイルが、磁場及び勾配にそれ自身の貢献をする。
を解くことができる。
ここで、N1、N2、N3は、コイル強度である。図4に示されるように、N2=N3である対称的なシステムの場合には、コイル1を中央に配置し、コイル2及びコイル3を該コイル1の両側に対称的に配置することができる。
3つ又はそれ以上のコイルを含む他の構成も可能である。
を満たすように選択される。
3つの未知数の2つの方程式は、第3のものが2つの強度をもたらし、次に、必要とされる全体の磁場強度
を与えるように選択される。
のように、誤差関数を最小限にするために、コンピュータ化された手順が用いられる。
ここで、Hreqは、必要とされる中央の磁場であり、r0は、均質な容積の寸法特性である。
Claims (10)
- 磁場生成組立体であって、一般にほぼ同軸であり、軸と直交する面の周りにほぼ対称的に配置された1組のコイルを備え、前記コイルの少なくとも幾つかは、他のコイルとは反対の方向に作動電流を通し、巻きの配列及び該コイルが通す作動電流は、実質的に均質な磁場を有する第1の動作容積が前記組立体によって定められるエンベロープ内に生成され、各々が実質的に均質な磁場を有する2つの第2の動作容積が前記エンベロープの外部に生成されるようになっており、前記第1及び第2の動作容積の各々の均質性は、該動作容積内のサンプルについてNMR実験を行うのに十分なものであることを特徴とする組立体。
- 均質性が同じである場合、前記第2の動作容積のサイズが、前記第1の動作容積のサイズより小さいことを特徴とする請求項1に記載の組立体。
- 全ての動作容積が前記軸に中心を置くことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の組立体。
- 前記コイルがグループで配置され、各々のグループのメンバーが、直列に電気接続されていることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
- 各々のグループの前記メンバーが、実質的に同じ平均半径を有することを特徴とする請求項4に記載の組立体。
- 1つのグループの平均半径が、別のグループの平均半径と異なることを特徴とする請求項5に記載の組立体。
- 前記グループの1つが、別のものとは反対の方向に作動電流を通すことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の組立体。
- 各々のグループが、前記第1の動作容積内に実質的に均質な磁場をそれ自身により発生させることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれかに記載の組立体。
- 前記グループの少なくとも1つが、中央のコイルと、前記中央コイルから分離され、該中央コイルに対して対称的に配置された少なくとも2つの端コイルとを備えることを特徴とする請求項5乃至請求項8のいずれかに記載の組立体。
- 磁場生成組立体の設計方法であって、前記方法が、実質的に同軸であり、各々が、各々のグループの中心に、第1の動作容積内に実質的に均質な磁場を発生させる3つのコイルのグループの配列を定め、前記コイルのグループを通して流す必要がある作動電流を決定し、前記組立体の外部にある第2の動作容積内に実質的に均質な領域を生成する段階を含むことを特徴とする方法。
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